视觉测量系统技术及应用
1 引言
基于计算机的视觉检测系统是指通过计算机视觉产品将被摄取目标转换成图像信号，传送给图像处理系统，图像处理系统再根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，计算机图像系统对这些信号进行复杂运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制设备动作。它具有非接触、速度快等优点，是一种先进的检测手段，非常适合现代制造业。可用于视觉检测的试验原理很多，如纹理梯度法、莫尔条纹法、飞行时间法等，然而诸多测试原理中，尤其基于三角法的主动和被动视觉测量原理具有抗干扰能力强、效率高、精度合适等优点，非常适合在线非接触测量。本文主要从视觉测量系统在实际中应用出发，展示视觉检测技术在制造业中的广阔应用[1-4]。
2 视觉测量系统技术的应用
2.1 汽车车身视觉检测系统
在汽车制造过程中，车身上总有很多关键的三维尺寸进行测量，采用传统的三坐标测量机只能离线抽样检测，效率低，更不能满足现代汽车制造在线检测的需要，而视觉检测系统能很好的适应该需要，典型的汽车车身视觉检测系统如图1所示[5]。
图1 车身视觉检测系统
车身检测系统主要依靠的是数个视觉传感器，其中还包括传送机构、定位机构，计算机图像采集、网络控制部分。每个传感器对应一个被测区域，然后通过传输总线传至计算机，通过计算机对每个视觉传感器进行过程控制。
汽车车身检测系统的测量效率很高，精度式中，并且可以在完全自动情况下完成，这个包含几十个测点的系统都能再几分钟内测量完成，因此可以适应汽车制造的在线检测。而且传感器的布置可以根据不同车型来布置，增加了应用要求，
因此减少了车身视觉系统的维护费用。
2.2 拔丝模孔形视觉检测系统
使用计算机视觉检测技术开发出的拔丝模孔形检测系统由光学成像系统、工业用摄像机图像采集卡、计算机及监视器组成，可以解决生产实际中的模具孔形检测问题．工作原理如下：先采用注入硅胶方法获得反映待检拔丝模尺寸及形状的硅胶凸模，然后把硅胶凸模放在光学系统的载物台上．硅胶凸模经光学成像放大，成像于CCD 像面上，然后用图像采集卡采集CCD 图像信息，最后由计算机视觉检测软件完成对孔形尺寸的自动计算，此时图像采集时需要配置特殊的光照系统．系统实现了自动数据采集、处理，实现采样、进样、结果一条龙，形成检测的自动化．
2.3 无缝钢管直线度和截面在线视觉检测
无缝钢管是一类重要的工业产品，在反应无缝钢管质量中，钢管直线度及截面尺寸是主要的几何参数。现代工业已经可以实现无缝钢管的大批量大规模生产，并且并无成熟的直线度、截面尺寸高效率的检测系统，主要原因为：无缝钢管空间尺寸大，需要很大的测量空间，一般的检测手段很难实现如此大尺度的检测。然而视觉检测却非常适合无缝钢管及截面尺寸的测量，其测量原理图如图2所示。
多个传感器组成了视觉检测系统，传感器的结构光所投射的光平面与被测钢管相交，从而得到钢管的部分圆周，传感器测量圆周在传感器三维空间位置，每一个传感器实现一个截面圆周测测量，然后通过拟合得到截面的圆心和其空间位置，从而实现对无缝钢管截面和直径的测量。
图2 无缝钢管在线检测
2.4 视觉测量在逆向工程中的应用
逆向工程是针对现有的工件，利用3D 数字化测量仪准确快速地测量出轮廓坐标值，并建构曲面，经过编辑、修改后，将图形存档形成一般的CAD/CAM系统，再由CAM 所产生刀具的NC 加工路径送至CNC 加工机制所需模具，或者以快速成型将物品模型制作出来。视觉测量一般使用三种激光光源：点结构光、线结构光、面结构光，图3为使用线结构光测量物体表面轮廓的结构示意图[6]。
图3 线结构光测量物体表面轮廓
自由曲面的逆向工程是逆向工程中典型代表也是逆向工程的难点之一。自由曲面测量常用的检测仪器是三坐标测量机，然而由于空间限制，三坐标测量机不适合大范围动态测量，而且频响还不可能太快。光学非接触测量可以有效的解决接触测头在测量中存在的问题，具有效率高、响应快和可测量软质表面等优点，因此将机器视觉应用于曲面测量具有重要的实用价值和良好的应用前景。图4为双目视觉形貌测头结构示意图。
在视觉测头中，采用主动双目视觉传感技术，即激光平面并不表征传感器的结构参数，它的任务只是参与特征点的形成。使用柱透镜作为光束扩展的器件。柱透镜可以实现光线的扩束，同时为了能够测量金属强反射表面，在测头光学系统中使用了偏振片，采用两级反射镜实现了光路的扩展[7]。
图4 双目视觉形貌测头结构示意图
2.5 芯片封装引脚平面度视觉检测系统 随着半导体集成电路设计技术及制造工艺的飞速发展，集成电路的功能日益强大，集成电路越来越复杂，BGA 芯片对应一种大规模集成电路封装技术，芯片的引脚为球形，在芯片上呈阵列分布。BGA 芯片引脚都被设计在一个平面内，
这样确保芯片焊接再电路板上时，所有引脚和电路板良好接触。引脚的共面性是反映BGA 芯片封装质量的重要参数，在芯片制造过程中必须必须进行检测。
视觉检测手段是实现BGA 芯片引脚共面型检测的理想方法，测量原理如图5所示。测量装置包括光平面投射器、光学系统、CCD 摄像机。调整光平面投射器使得光平面和芯片引脚平面正交，并且使得光平面和引脚阵列的一个方向平行，如图所示。光平面和BGA 芯片引脚相交的图像通过光学系统由CCD 摄像机接受，分析图像，可以测量芯片引脚的空间三维坐标。测量时，BGA
芯片在二维工作台上沿芯片引脚阵列的另一方向移动，扫描完成全部引脚的测量。
图5 BGA芯片引脚平面度视觉检测原理
3 结束语
视觉检测技术已经成功地应用于多种生产制造场合，实际应用表面，视觉检测技术具有非接触，组件灵活等特点很好的满足了现代加工制造业的需求，是一种很有前途的产品检测手段。
[1] 洪少春. 计算机视觉检测技术在制造业上的应用及发展[J].菏泽学报, 2006(2)
[2] Pierre Trepagnier. Recent development in visual gaging. Vision 85.1985,3:12~23
[3] Seokbae S, Hyunpung P, Kwan H L. Automated laser scanning system for reverse engineering and inspection. International Journal of Machine Tools & Manufacrure, 2002,42:889~897
[4] C Y Long, J G Zhu. Study on global control network precision positioning method in visual shape measurement[C]. SPIE,2013,8908:89081I
[5] 叶声华, 郝继贵, 王仲, 等. 视觉检测技术及应用[J].中国工程科学,1999,1(1)
[6] 马玉真, 胡亮, 方志强, 等. 计算机视觉检测技术的发展及应用研究[J].济南大学学报,2004,18(3)
[7] 张宏伟, 张国雄, 秦鹏, 等. 双目视觉检测技术在自由曲面测量中的应用[J].机械工程学报,2004,40(7)